張強教授：煤礦智能(néng)化開(kāi)采煤岩識别技術(shù)綜述
時(shí)間(jiān)：2022-03-25 來源：科大科技摘要(yào)
加快(kuài)煤炭産業鏈的智能(néng)化發展是當前環境下(xià)保證煤炭穩定供給的重心，而煤岩識别是實現煤礦智能(néng)化建設，提高煤層探測、智能(néng)開(kāi)采、快(kuài)速分選精度和(hé)效率的關鍵技術(shù)，因此，開(kāi)展了(le)煤岩高效識别技術(shù)方法的綜述研究。首先根據使用工(gōng)況不同，将煤岩識别統籌為(wèi)接觸式識别與非接觸式識别，根據技術(shù)類别将現有識别技術(shù)歸類為(wèi)過程信号監測、紅(hóng)外(wài)熱(rè)成像、圖像特征、反射光(guāng)譜、超聲波探測、電磁波探測，從(cóng)識别機理和(hé)技術(shù)原理方面進行(xíng)了(le)詳細的介紹，并列舉了(le)典型特征下(xià)的煤岩差異。其次綜合闡述了(le)各種識别技術(shù)的研究現狀，總結出工(gōng)程實際中的煤岩識别技術(shù)應用現狀；從(cóng)理論技術(shù)研究、工(gōng)況環境影響、煤岩特征3方面建立了(le)不同識别技術(shù)的局限度評價表，超聲波、電磁波探測技術(shù)局限度最低(dī)，紅(hóng)外(wài)成像識别技術(shù)局限度最高，其中工(gōng)況環境對紅(hóng)外(wài)成像識别局限最明(míng)顯，煤岩特征對反射光(guāng)譜識别和(hé)過程信号監測識别局限最明(míng)顯。基于上(shàng)述局限度，對未來煤岩識别的研究重點提出4點建議(yì)：煤岩特征信息的深層挖掘，複雜(zá)多變環境的影響機理研究，物(wù)理屬性相近的煤岩識别新方法，綜合地(dì)質條件的煤岩識别方法适用性研究，為(wèi)我國(guó)煤岩識别技術(shù)發展、煤礦智能(néng)化建設提供理論指導。
研究背景
能(néng)源是關系國(guó)家經濟社會全局發展的重要(yào)問(wèn)題，保證能(néng)源長(cháng)期穩定供給對于維護國(guó)家穩定發展具有重要(yào)戰略意義；相比石油、天然氣等化石能(néng)源産量，我國(guó)煤炭資源年(nián)産量占據世界煤炭總産量50％以上(shàng)，根據相關研究，預計2030-2050年(nián)，煤炭占我國(guó)一(yī)次能(néng)源消費(fèi)比重仍将保持在50％以上(shàng)。此外(wài)，應對煤炭價格上(shàng)漲出現的“限電”現象，國(guó)家發改委明(míng)确指出：堅持“限電不拉閘”，在确保安全的前提下(xià)全力增産增供煤炭，讓電力價格合理反映電力供需和(hé)成本變化。
保障煤炭供應以提高工(gōng)作(zuò)面的開(kāi)采效率和(hé)後期煤岩矸的分選效率為(wèi)主；綜采工(gōng)作(zuò)面中，煤岩突變導緻開(kāi)采難度增加，截齒磨損加劇導緻采掘機械的故障率提高，同時(shí)也提高了(le)岩石占比，增加了(le)後續分選的工(gōng)作(zuò)量，降低(dī)了(le)煤炭生産效率；在綜放工(gōng)作(zuò)面中，岩石強度高、密度大，岩石長(cháng)期的垮落沖擊極易對支架造成損傷，既增加了(le)後續的分選難度又造成了(le)巷道(dào)安全隐患，此外(wài)開(kāi)采深度的不斷增加為(wèi)煤炭高效生産帶來了(le)挑戰，因此國(guó)家提倡無人(rén)化/智能(néng)化開(kāi)采達到高産、高效、安全目标，進而保障煤炭的供給。實現智能(néng)化開(kāi)采，首先要(yào)解決煤岩識别的難題，這(zhè)也是國(guó)家能(néng)源科技“十二五”規劃中提出的重點待解決問(wèn)題，無論在綜采工(gōng)作(zuò)面還是綜放工(gōng)作(zuò)面，煤岩識别技術(shù)都(dōu)是制約煤炭智能(néng)開(kāi)采的關鍵難題；在後期的分選中，岩石占比增加，緻使分選工(gōng)藝流程繁瑣、耗時(shí)長(cháng)，甚至污染環境，對工(gōng)作(zuò)人(rén)員(yuán)身體造成危害，即制約了(le)分選效率同時(shí)也不符合我國(guó)綠(lǜ)色礦山(shān)的發展理念，因此安全、高效的煤岩識别技術(shù)對于提高煤炭産出率與質量至關重要(yào)。
因此，破解煤岩識别技術(shù)難題是礦山(shān)智能(néng)化發展的必經之路，也是目前亟須解決的問(wèn)題。自(zì)20世紀60年(nián)代起，英、美、澳、德、俄、中等産煤大國(guó)便開(kāi)始了(le)煤岩識别技術(shù)的研究，至此已經提出了(le)近20多種方法，但(dàn)在工(gōng)程實際中的應用甚少(shǎo)；造成這(zhè)種現象主要(yào)是由于：① 煤礦地(dì)質條件、煤岩種類呈複雜(zá)多樣化，煤岩識别技術(shù)通(tōng)用性差；② 開(kāi)采過程受力複雜(zá)，傳感器易受損，可(kě)靠性差；③ 識别效果受井下(xià)環境影響因素影響，識别誤差大。故針對複雜(zá)多變的地(dì)質條件進行(xíng)高效的煤岩識别方法研究是當前煤炭行(xíng)業的重要(yào)科學導向。
筆(bǐ)者針對國(guó)內(nèi)外(wài)煤岩識别方法的研究現狀進行(xíng)分析，對現有技術(shù)進行(xíng)分類，闡述各方法的技術(shù)原理；綜述各種識别方法的研究現狀，并分析其識别精度與局限性，結合煤岩識别工(gōng)程應用現狀分析現有技術(shù)的缺陷型，提出煤岩識别智能(néng)化的未來發展趨勢，為(wèi)未來煤岩識别的研究導向和(hé)工(gōng)作(zuò)重心提供理論參考。
內(nèi)容概要(yào)
１ 煤岩高效識别技術(shù)分類與原理
1.1 過程信号監測識别
１）振動信号
表1 煤和(hé)岩石硬度比較
圖2 截割岩的振動時(shí)域、頻(pín)域
２）聲發射信号。
圖3 截割煤的聲發射信号時(shí)域、頻(pín)域
圖4 截割岩的聲發射信号時(shí)域、頻(pín)域
３）電流信号
圖5 截割煤的截割電機A相電流信号
圖6 截割岩石的截割電機A相電流信号
４）截割力學信号。
圖7 截割煤的惰輪軸應變
圖8 截割岩石的惰輪軸應變
圖9 多源信息融合的識别模型
1.2 紅(hóng)外(wài)熱(rè)成像識别
１）主動紅(hóng)外(wài)激勵識别
圖10 煤、岩試件主動紅(hóng)外(wài)激勵圖像
２）截割閃溫識别。
圖11 截割煤的紅(hóng)外(wài)熱(rè)像
圖12 截割岩石的紅(hóng)外(wài)熱(rè)像
1.3 圖像特征識别
圖13 煤塊局部紋理特征
圖14 岩石局部紋理特征
表2 煤、岩石參數(shù)方差
1.4 反射光(guāng)譜識别
圖15 煤岩原始光(guāng)譜曲線特征波段對比
1.5 超聲波探測識别
超聲波是一(yī)種波長(cháng)極短的機械波，在空氣中波長(cháng)一(yī)般短于2cm，且必須依靠介質傳播，超聲波在煤質內(nèi)傳播時(shí)，存在反射、折射、衍射、散射等傳播規律，遇到密度不同的介質，穿透率、折射等均會發生相應的變化。
1.6 電磁波探測識别
圖16 煤岩界面模型
2 煤岩高效識别技術(shù)理論與試驗研究現狀
2.1 過程信号監測識别
１）振動信号。
３）電流信号。
文獻中首次提到了(le)電流監測的煤岩識别方法，而目前國(guó)內(nèi)對于采用電流進行(xíng)煤岩識别的研究較少(shǎo)。
４）截割力學信号。
圖20 小波變化與神經網絡相結合的煤岩識别框架
表3 不同截割介質惰輪軸受力
圖21 多層傳感器信息融合複合結構
５）多傳感信息融合識别。
筆(bǐ)者團隊最早将多源信息融合用在煤岩中，采用支持向量機、D-S證據理論、模糊神經網絡、BP神經網絡等多種融合算法，提取了(le)振動、聲發射、電流、溫度等信号進行(xíng)決策融合識别，結果表明(míng)多信息融合識别精度明(míng)顯高于單一(yī)信号識别精度，能(néng)夠有效識别截割過程煤岩界面。
2.2 紅(hóng)外(wài)熱(rè)成像識别
１）主動紅(hóng)外(wài)激勵識别。
圖22 紅(hóng)外(wài)熱(rè)成像煤岩識别試驗台
圖23 煤岩界面分布模拟還原圖與真實分布
２）截割閃溫識别。
圖24 截割煤、岩試件的截齒溫度－頻(pín)率曲線
表4 不同硬度煤、岩截齒閃溫峰值
圖25 煤岩識别界面誤差
2.3 圖像特征識别
圖26 煤岩識别結果
圖27基于曲波變換的煤岩識别方法
圖28 采煤機煤岩截割試驗
圖29 煤岩界面預測框
2.4 反射光(guāng)譜識别
反射光(guāng)譜是一(yī)種針對原位物(wù)質且具有高信噪比、實時(shí)性強的分析技術(shù)，最早在20世紀初被用于探測物(wù)質微(wēi)觀結構，而後由美國(guó)貝爾實驗室率先研發了(le)光(guāng)電耦合原件（CCD），為(wèi)光(guāng)譜儀的研發提供了(le)基礎，現如(rú)今光(guāng)譜儀已趨于成熟，在植被識别反演、水環境監測、煤炭礦物(wù)分析等行(xíng)業均有應用，反射光(guāng)譜在礦物(wù)的檢測中，國(guó)外(wài)一(yī)些學者進行(xíng)了(le)系列研究，國(guó)內(nèi)進行(xíng)此類研究甚少(shǎo)，以中國(guó)礦業大學（北京）葛世榮院士團隊為(wèi)主，此外(wài)安徽理工(gōng)大學與西(xī)安科技大學也進行(xíng)了(le)類似的研究。
2.5 超聲波探測識别
表５ 超聲波探測煤層厚結果對比
圖30 各類煤超聲相控成像
2.6 電磁波探測識别
2.6.1 γ 射線探測法
主動γ 射線探測最早于1961 年(nián)由英國(guó)提出，但(dàn)相關監測設備直至1973年(nián)才完成，早期的代表性研發機構：英國(guó)RHC公司的RHC802型探測儀和(hé)每個AME公司的AME1008型探測儀；我國(guó)從(cóng)自(zì)20世紀80年(nián)代初期開(kāi)展關于γ 射的煤岩識别研究，目前已形成了(le)較為(wèi)系統的理論研究體系。
2.6.2 雷達探測法
圖31 雷達測量煤層厚度原理
2.6.3 太赫茲信号
太赫茲時(shí)域光(guāng)譜檢測最早起源于20世紀80年(nián)代，用于對測試樣品成分檢測，目前太赫茲關光(guāng)譜技術(shù)應用已經較為(wèi)成熟，尤其在食品安全、藥物(wù)監管、油品檢測中研究較多。
2.6.4 電子共振法
電磁共振檢測方法主要(yào)分為(wèi)電子順磁共振（EPR）和(hé)電子自(zì)旋共振（ESR），由于每層中包含為(wèi)配對的電子，當電子繞某一(yī)軸自(zì)轉便會産生磁矩，在線圈周圍形成磁場，在特定條件下(xià)電子磁矩會發生重新轉向。
3 煤岩識别技術(shù)工(gōng)程應用現狀
由上(shàng)述分析可(kě)知，對于煤岩識别的研究，國(guó)內(nèi)諸多學者進行(xíng)了(le)類似研究，也提出了(le)許多方法，但(dàn)是由于煤礦地(dì)質條件與複雜(zá)工(gōng)況的限制，一(yī)些新興技術(shù)方法無法應用到煤礦。
4 煤岩高效識别技術(shù)局限性與發展趨勢
4.1 各種識别技術(shù)的局限性分析
１）過程信号監測。
２）紅(hóng)外(wài)成像識别。
３）圖像特征識别。
４）反射光(guāng)譜識别。
５）超聲波探測識别。
６）電磁波探測識别。
表6 工(gōng)作(zuò)面開(kāi)采煤岩識别技術(shù)局限度
表7 煤岩分選中識别技術(shù)局限度
4.2 煤岩識别未來研究發展趨勢
１）煤岩特征信息的深層挖掘。
２）複雜(zá)多變環境的影響機理研究。
３）物(wù)理屬性相近的煤岩識别新方法。
４）綜合地(dì)質條件的煤岩識别方法适用性研究。
結論
１）根據使用工(gōng)況、技術(shù)原理不同将煤岩識别技術(shù)歸類為(wèi)過程信号監測、紅(hóng)外(wài)熱(rè)成像、圖像特征、反射光(guāng)譜、超聲波探測、電磁波探測6種，并列舉了(le)典型特征下(xià)的煤岩差異，證明(míng)了(le)不同煤岩識别技術(shù)的可(kě)行(xíng)性。
２）綜合闡述了(le)各類識别技術(shù)的研究現狀，介紹了(le)煤礦現有煤岩識别技術(shù)工(gōng)程應用現狀；分析了(le)各類技術(shù)的局限性，從(cóng)理論技術(shù)、工(gōng)況環境、煤岩特征角度建立了(le)各類技術(shù)的局限性評價體系，其中超聲波探測與電磁波探測的局限度最低(dī)，紅(hóng)外(wài)識别受工(gōng)況環境的影響局限性較強，對于煤岩特征較大的工(gōng)況，過程信号監測可(kě)根據煤岩特征差異作(zuò)為(wèi)輔助信号指導工(gōng)程實際開(kāi)采，具有較好的實際價值。
３）綜合考慮各類識别技術(shù)的局限性，對未來煤岩識别的研究重心提出4點建議(yì)：煤岩特征信息的深層挖掘，複雜(zá)多變環境的影響機理研究，物(wù)理屬性相近的煤岩識别新方法，綜合地(dì)質條件的煤岩識别方法适用性研究。
文章(zhāng)來源：https://mp.weixin.qq.com/s/GV2TTjfs6IGYkQ1toMJ4kw
